水稻低磷脅迫響應(yīng)及其調(diào)控機制的研究進(jìn)展

孫志偉 徐月梅 許榮越 朱寬宇 楊建昌

（揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚州 225009）

磷（phosphorus，P）是植物生育過程中必需的三大營養(yǎng)元素之一，具有重要的生理生化作用［1］。世界上缺磷耕地面積約為43%，我國有近2/3 耕地土壤缺磷［2］。研究表明，土壤中富集的無效態(tài)磷經(jīng)徑流、滲透等途徑進(jìn)入生態(tài)循環(huán)，降低了土壤中磷含量。同時，土壤約有70%～90%的無機磷會以有機或無機形式與金屬陽離子螯合形成不可溶的絡(luò)合物，并吸附在土壤顆粒的表面，降低田間磷肥當(dāng)季利用率［3-4］。因此，缺磷已經(jīng)成為限制作物產(chǎn)量提高的重要因素之一。提高作物對土壤中有效磷的吸收利用成為了當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題，對保障糧食安全與綠色農(nóng)業(yè)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水稻（OryzasativaL.）是世界上最重要的糧食作物之一，其中化肥對水稻增產(chǎn)具有舉足輕重的作用。然而，化肥施用量的持續(xù)增長對水稻高產(chǎn)的貢獻(xiàn)率日趨降低，化肥當(dāng)季利用率低與糧食高速增產(chǎn)之間矛盾日益突出［5］。磷是水稻體內(nèi)重要有機化合物的組成部分，在營養(yǎng)物質(zhì)代謝、能量合成與傳遞、信號接收與傳導(dǎo)等方面發(fā)揮不可替代的作用［6］。選育磷高效或耐低磷水稻品種并通過合理的水肥管理來活化土壤磷庫和提高磷肥利用率，是減少磷肥投入、協(xié)同水稻產(chǎn)量提高的一條重要途徑。深入認(rèn)識水稻耐低磷性的農(nóng)藝和生理與分子機制，對于篩選和培育耐低磷水稻品種具有重要的指導(dǎo)意義。鑒于此，本文從根系和地上部形態(tài)生理變化以及分子信號傳導(dǎo)等方面概述了水稻對低磷脅迫的響應(yīng)機制，討論了提高水稻耐低磷性的栽培調(diào)控措施，并對今后的研究重點提出了建議。

1 水稻耐低磷的形態(tài)生理機制

1.1 植株形態(tài)性狀

水稻植株形態(tài)變化是植物響應(yīng)低磷脅迫的適應(yīng)性策略之一。根系作為植物養(yǎng)分吸收的重要器官，其在土壤中的分布與養(yǎng)分吸收緊密相關(guān)［7］。磷在土壤中分布不均且不易移動，主要集中在土壤表層并通過擴(kuò)散的方式遷移到根系表層。此外，磷在土壤中擴(kuò)散系數(shù)低，植物只能吸收距離根系表面1～4 mm范圍內(nèi)的有效磷。在低磷脅迫下，水稻根系會通過增加與土壤顆粒的接觸面積幫助植物獲取更多的磷養(yǎng)分，而側(cè)根和根毛的形態(tài)變化與根系磷吸收面積具有密切聯(lián)系［6］。側(cè)根形成于原生木質(zhì)部的中柱鞘建成細(xì)胞，低磷脅迫可誘導(dǎo)苗期水稻的側(cè)根發(fā)育，抑制主根伸長，具體表現(xiàn)為側(cè)根長度與數(shù)量的增加，這一形態(tài)的變化與水稻磷吸收量呈極顯著正相關(guān)［8］。再者，低磷脅迫下水稻單位側(cè)根長度的伸長與單位根活躍吸收表面積的增加呈顯著正相關(guān)，但側(cè)根數(shù)量增加與單位根表面積增加并無顯著相關(guān)性［9］。根毛是根系特異表皮細(xì)胞向外延伸形成的管狀突出物，易與根際土壤環(huán)境產(chǎn)生較大的養(yǎng)分濃度梯度促進(jìn)植株對低濃度養(yǎng)分的吸收。有研究指出，低磷會促進(jìn)日本晴（模式水稻）根毛長度和密度的增加［10］。但低磷環(huán)境下水稻根毛長度變化比密度在磷吸收方面更為重要，主要在于根毛密度的增長超過臨界密度后并不會為根部磷吸收帶來更多收益［11］。因此，根毛長且密是水稻耐低磷的一個重要根系特性。

地上部的形態(tài)變化是直觀反映低磷脅迫對植株生長發(fā)育的指標(biāo)之一。低磷環(huán)境下水稻植株矮小、分蘗數(shù)、幼穗長度和地上部干物重會顯著下降，葉片中核酮糖二磷酸羧化酶、莖中蔗糖磷酸合酶（sucrose phosphosynthase，SPS）和籽粒中蔗糖合酶（sucrose synthase，SUS）活性受到抑制，導(dǎo)致植株綠葉數(shù)和葉面積指數(shù)下降，不利于水稻生育期光合同化物的積累和籽粒灌漿［12-13］。此外，與弱耐低磷品種相比，強耐低磷品種具有較高的葉面積指數(shù)和莖蘗成穗率，較高的花后莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（non-structual carbohydrate，NSC）轉(zhuǎn)運率、葉片光合速率和籽粒灌漿速率，這些性狀的改善減輕了低磷脅迫對水稻產(chǎn)量的不利影響［14-15］。

1.2 植株生理性狀

1.2.1 有機酸 根系分泌物是實現(xiàn)植物地上部與土壤互作的重要媒介，其中有機酸的分泌既可以改善根際土壤性質(zhì)，也可以調(diào)控根際微生物的群落組成，是一種普遍且有效的土壤磷活化途徑［16-17］。低磷脅迫下水稻根系細(xì)胞膜通透性下降或代謝產(chǎn)物的積累引發(fā)根系有機酸大量分泌。研究表明，低磷脅迫下水稻根系有機酸含量增加主要來源于蘋果酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸含量的上升［18］。Bhattacharyya 等［19］認(rèn)為，低磷脅迫下水稻根系分泌最主要的有機酸為蘋果酸，其次是酒石酸、檸檬酸和乙酸，并發(fā)現(xiàn)分蘗期（21 d）根系有機酸滲出速率最快，生育后期有機酸的總滲出量最多。但有研究者觀察到，一些旱稻品種根系分泌物中檸檬酸滲出速率最快，并認(rèn)為檸檬酸相較于其他有機酸可以有效調(diào)動土壤結(jié)合態(tài)磷，且碳投入較低［20］。此外，磷高效基因型水稻根系分泌有機酸總量顯著高于磷敏感基因型［21］。總體而言，低磷環(huán)境中水稻根系分泌物中的有機酸會大量增加，有機酸類型和含量對磷脅迫的響應(yīng)因品種和土壤環(huán)境而異，其主要作用是加速土壤中難溶性磷酸鹽化合物溶解，改變磷在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而改善根系對磷的吸收。目前大多數(shù)研究多集中于低磷條件下作物根系有機酸分泌種類和含量的研究，而有機酸是如何影響土壤有機磷活化的深層機理仍不清楚。

1.2.2 叢枝菌根 叢枝菌根共生體系是叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）定殖在植物根系皮層細(xì)胞內(nèi)形成的一種在自然界中廣泛存在的陸生共生體，也是植物根系與AMF 長期協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果［22］。在該共生關(guān)系中，宿主植物通過光合作用反饋給AMF己糖等作為碳源，AMF 將菌絲延伸到宿主植物的“無根區(qū)”，通過水解無機磷和礦化有機磷兩條途徑改善土壤磷有效性，誘導(dǎo)磷轉(zhuǎn)運蛋白基因表達(dá)，形成比宿主植物根更大的吸收網(wǎng)絡(luò)來吸收磷等營養(yǎng)元素［23］。相比于水稻根系，AMF 對土壤中磷具有更高的親和力，土壤中的磷會主動運輸至AMF 中，以多聚磷形式大量儲存在AMF 中。此時，菌絲與根系產(chǎn)生磷濃度梯度，磷被動運輸?shù)礁H臨界面，根系消耗能量將磷轉(zhuǎn)運至體內(nèi)［23］。前人研究指出，水稻根系與AMF共生形成的菌根網(wǎng)絡(luò)可以促進(jìn)側(cè)根形成，減少稻田磷的徑流損失，提高水稻抵抗生物及非生物脅迫能力［24］。針對傳統(tǒng)稻田水稻根系由于缺氧環(huán)境不易感染AMF 的情況，Zhang 等［25］通過對比菌根和非菌根水稻田間磷損失量發(fā)現(xiàn)，菌根水稻的種植能有效減少稻田中溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷的損失，提升對土壤中磷的吸收。此外，適當(dāng)控制土壤含水量有助于水稻與AMF 共生菌根網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，增強旱稻作物對土壤中難溶性磷的吸收［26］。總體上，接種AMF 可促進(jìn)土壤磷的釋放，也實現(xiàn)了磷從土壤菌絲再到根系的快速傳遞，是水稻適應(yīng)低磷脅迫的有效措施之一。目前，對AMF 的研究多集中于對無機磷的吸收利用，深入闡明AMF 對土壤中有機磷組分的影響以及磷遷移轉(zhuǎn)化的機制仍是科研工作者面臨的挑戰(zhàn)之一。

1.2.3 內(nèi)源激素 內(nèi)源激素是植株內(nèi)部合成的微量有機物，在植物生長發(fā)育和代謝方面發(fā)揮著信號傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)的重要作用。其中生長素在植物抵御低磷脅迫過程中的作用尤為獨特。生長素是響應(yīng)水稻根系中低磷脅迫信號最重要的植物激素之一，其含量和極性運輸與根系生長發(fā)育密切相關(guān)［27］。首先，低磷脅迫促進(jìn)了水稻體內(nèi)生長素合成與生長素從地上部到根系的極性運輸，通過改變根系形態(tài)加強對土壤中有效磷的吸收以及無機磷的轉(zhuǎn)運。以往研究表明，低磷脅迫下生長素在根系的運輸增強，較高濃度的生長素促進(jìn)了主根伸長、側(cè)根長度和密度增加以及根毛形成等形態(tài)變化以適應(yīng)低磷環(huán)境［28-29］。但馮凡等［10］觀察到，不同磷處理下施加外源生長素和生長素極性運輸抑制劑后，水稻根毛的長勢并沒有發(fā)生顯著變化，可見低磷脅迫下水稻根毛的發(fā)生是由多種信號通路共同調(diào)節(jié)的。同時，生長素參與水稻磷信號傳導(dǎo)進(jìn)而影響植株中磷動態(tài)平衡，其中生長素受體1（TRANSPORTINHIBITORRESPONSE1，TIR1）和ARFs轉(zhuǎn)錄因子（AUXINRESPONSEFACTOR）在調(diào)節(jié)信號傳遞方面發(fā)揮著重要作用［30］。Ding 等［28］在對水稻根部進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)檢測后發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下生長素信號通路發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為根部生長素合成限速酶誘導(dǎo)被抑制，生長素受體TIR1表達(dá)上調(diào)，轉(zhuǎn)錄過程被激活，根系中生長素響應(yīng)基因的表達(dá)增強。此外，低磷脅迫促進(jìn)了水稻根部無活性生長素（與氨基酸結(jié)合的生長素）向活性生長素的轉(zhuǎn)化，對非活性生長素向游離生長素的轉(zhuǎn)化加以抑制，從而通過改變根部的生長素含量來提高根系對低磷環(huán)境的適應(yīng)［31］。

獨腳金內(nèi)酯或其衍生物（strigolactones，SLs）作為近些年研究的新型激素，在調(diào)節(jié)根系發(fā)育方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，其合成和分泌受低磷脅迫的誘導(dǎo)［32］。大量研究表明，低磷環(huán)境下SLs 合成相關(guān)基因表達(dá)上升，根系和根系分泌物中SLs 水平含量的上升會誘導(dǎo)水稻根系伸長，根毛發(fā)生，降低側(cè)根密度，抑制水稻分蘗發(fā)生。同時，SLs 含量的提升會促進(jìn)真菌在根系的定殖，有利于植株對根際環(huán)境中有效磷的吸收。大量研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下SLs 可以通過影響生長素從地上部向根系的轉(zhuǎn)運，調(diào)節(jié)局部生長素含量和極性運輸來影響水稻根系生長［32-34］。所以，獨腳金內(nèi)酯可能通過與生長素互作調(diào)控水稻形態(tài)變化是適應(yīng)低磷環(huán)境的策略之一。目前，對SLs 的具體生物學(xué)機制尚不清楚，進(jìn)一步研究SLs 與其他激素之間的相互關(guān)系，對于闡明低磷條件下SLs 對水稻根系生長的影響機制具有重要作用。

低磷脅迫下水稻形態(tài)生理變化見表1。

2 水稻無機磷吸收機制

水稻主要通過根系從土壤中吸收無機磷，但土壤中多數(shù)磷是以有機磷的形式進(jìn)行儲存，需要被水解為無機磷才能被植物吸收利用。酸性磷酸酶可以將土壤中復(fù)雜的有機磷化合物水解成無機磷來緩解植物低磷情況。在低磷環(huán)境下，水稻根系紫色酸性磷酸酶10c基因（OsPAP10c）表達(dá)增強，根際酸性磷酸酶活性升高，使得植株體內(nèi)磷脂化物分解速率增強，促進(jìn)根系無機磷的吸收和磷素從衰老組織向幼嫩組織轉(zhuǎn)運［35］。在水稻體外，低磷環(huán)境根系會直接通過酸性磷酸酶的釋放和間接增加根系的酸性磷酸酯酶分泌促進(jìn)根際微生物活性和對外界有機磷的水解作用，從而提升土壤無機磷含量和根系微生物中磷的有效性［36］。不僅如此，水稻根系還可以通過糖酵解的支路途徑避開需要磷或腺苷酸的步驟，誘導(dǎo)合成底物特異性酶，如酸性磷酸酶、核糖核酸酶（ribonuclease，RNase）和無機焦磷酸酶等來加快根系磷吸收和內(nèi)部磷的運轉(zhuǎn)，同時脂質(zhì)代謝體系的調(diào)整、細(xì)胞壁化合物的重組和葉片內(nèi)淀粉累積也是維持細(xì)胞內(nèi)磷水平的重要方式［37］。

植物磷信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中多種轉(zhuǎn)錄因子和非編碼RNA 通過正向或負(fù)向調(diào)控下游的磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白表達(dá)來調(diào)節(jié)磷的吸收與轉(zhuǎn)運以維持植株內(nèi)部磷素的平衡［35］。例如轉(zhuǎn)錄因子OsMYB4P可以正向調(diào)控PHT1（PHOSPHATE TRANSPORTER 1）家族，使根和莖中磷含量維持在較高水平［38］。缺磷條件下miR827 被誘導(dǎo)，能夠負(fù)調(diào)控水稻細(xì)胞液泡中磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白。由此可見，植物通過大量轉(zhuǎn)錄因子，磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白以及非編碼RNA 之間協(xié)同配合來完成對磷素的吸收與運輸。在水稻體內(nèi)，PHT1家族磷轉(zhuǎn)運蛋白主要負(fù)責(zé)將土壤溶液中的無機磷轉(zhuǎn)運至根系表皮和皮層細(xì)胞中，經(jīng)質(zhì)外體和共質(zhì)體兩種運輸途徑到根中維管束，在磷轉(zhuǎn)運蛋白的介導(dǎo)下裝載到木質(zhì)部的質(zhì)外體空間，通過根壓和葉片的蒸騰作用長距離運輸至地上部，最后經(jīng)過不同磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白的分配、轉(zhuǎn)移和再分配等復(fù)雜過程到達(dá)所需部位進(jìn)行吸收利用，而多余的無機磷將會被存儲在液泡內(nèi)以維持細(xì)胞內(nèi)無機磷的平衡［35］。

目前在水稻中已鑒定出13個PHT1家族磷轉(zhuǎn)運蛋白，命名為OsPHT1；1～OsPHT1；13，除了OsPHT1；2 屬于低親和力磷轉(zhuǎn)運蛋白之外［米式常數(shù)（Km值）在毫摩爾濃度范圍內(nèi)］，其余成員都是高親和力磷轉(zhuǎn)運蛋白（Km值在微摩爾濃度范圍內(nèi)）。其中，除了OsPHT1；11和OsPHT1；13 在水稻與菌根共生體系中被強烈誘導(dǎo)外，其余磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白，例如OsPHT1；1、OsPHT1；4、OsPHT1；6、OsPHT1；8、OsPHT1；9 和OsPHT1；10 等均在磷吸收和轉(zhuǎn)運方面發(fā)揮重要作用［35］。其中OsPHT1；1、OsPHT1；8的表達(dá)不受外界磷水平調(diào)控，在根部和地上部都呈現(xiàn)組成型表達(dá)。OsPHT1；1不響應(yīng)磷脅迫信號，但OsPHT1；1表達(dá)變化會通過促進(jìn)根毛發(fā)育等根系形態(tài)變化加速根細(xì)胞膜對磷的吸收進(jìn)而改變植株體內(nèi)磷的濃度和分布；而OsPHT1；8的過表達(dá)則可以促進(jìn)根系磷的吸收以及向地上部運輸［39-40］。此外，有學(xué)者敲除OsPHT1；4基因后觀察到水稻植株主根數(shù)目和分蘗數(shù)顯著減少，各器官磷積累量也顯著下降［41］。以上結(jié)果表明，PHT1家族的部分成員可以影響植株形態(tài)的改變來促進(jìn)根系磷的吸收。

水稻對磷的吸收主要由根系完成。但一些研究觀察到，水稻與真菌形成的共生體系供給植株需磷量的70%以上，特別是OsPHT1；11和OsPHT1；13參與AMF與水稻的共生過程。正常情況下水稻根系中OsPHT1；11和OsPHT1；13并不表達(dá)，但當(dāng)水稻被AMF 定殖后形成菌根時，OsPHT1；11 和OsPHT1；13 被特異性誘導(dǎo)增強磷的吸收。同時OsPHT1；11 是唯一參與水稻共生系統(tǒng)中磷吸收的轉(zhuǎn)運蛋白。叢枝菌根真菌菌絲將土壤中有效磷吸收并釋放到具有樹狀結(jié)構(gòu)的從枝周圍，使其可被宿主根系細(xì)胞吸收利用。而OsPHT1；13 則作為環(huán)境傳感器監(jiān)測菌根周圍環(huán)境磷水平來調(diào)控水稻與菌根共生過程［42］，只有在兩者的協(xié)同作用下才能維系水稻與菌根復(fù)雜的共生關(guān)系。

3 水稻體內(nèi)無機磷利用機制

水稻從土壤中吸收大量無機磷后，位于根系維管束中的PHOSPHATE1（PHO1）負(fù)責(zé)將無機磷裝載到木質(zhì)部，然后由木質(zhì)部運輸至地上部，最后通過節(jié)間組織轉(zhuǎn)移分配至各器官中以滿足水稻生長發(fā)育對磷素的需求［43］。

在植株體內(nèi)磷素的長距離運輸中，水稻PHT1 家族中OsPHT1；1，OsPHT1；2，OsPHT1；3，OsPHT1；6，OsPHT1；8在磷從根部向地上部的運輸過程中發(fā)揮重要作用。研究人員利用核糖核酸干擾（RNA interference）技術(shù)影響OsPHT1；2和OsPHT1；6表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，磷從根向莖的轉(zhuǎn)運效率會顯著下降［44］。同時，植株中OsPHT1；8過度表達(dá)時，根部和莖中磷積累量和磷轉(zhuǎn)運能力都會顯著升高［40］。說明PHT1 家族不僅參與植株無機磷的吸收，也介導(dǎo)了植株中無機磷的長距離轉(zhuǎn)運。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，水稻中PHO 家族有3 個與擬南芥AtPHO1同源的基因OsPHO1；1、OsPHO1；2和OsPHO1；3，它們對磷素的轉(zhuǎn)運同樣至關(guān)重要，其中OsPHO1；2主要作用在無機磷加載到地上部轉(zhuǎn)運過程［44-45］。水稻OsPHO1；2突變體中無機磷從根系向地上部運輸受到阻礙，會導(dǎo)致磷在根部積累而地上部磷減少。而OsPHO1；1和OsPHO1；3在水稻根部的表達(dá)較弱，其功能還有待開發(fā)，例如，這些基因是否對根部以外的組織中的磷穩(wěn)態(tài)中起調(diào)控作用仍有待研究［46］。

當(dāng)磷素通過植株木質(zhì)部長距離運輸至節(jié)間組織后，在水稻節(jié)間中表達(dá)豐富的硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白樣磷分配轉(zhuǎn)運蛋白基因（SULTR-likephosphorusdistribution transporter，SPDT）成為控制磷素向葉片和籽粒進(jìn)一步分配的開關(guān)［47］。SPDT主要作用是把無機磷從大維管束的木質(zhì)部轉(zhuǎn)運到分散維管束的木質(zhì)部，最后運輸至新葉和生殖器官中。當(dāng)敲除SPDT基因時，本該通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白分配到新葉和籽粒的磷素大量滯留在木質(zhì)部，導(dǎo)致老葉中磷含量顯著上升，改變了磷素在葉片和籽粒間的分配規(guī)律［47］。在PHT1 家族中部分成員參與地上部磷的再分配。例如，在磷含量極低時會誘導(dǎo)葉片OsPHT1；3表達(dá)，加速磷素從莖向葉片的分配。當(dāng)該基因突變時會導(dǎo)致節(jié)間組織磷積累而葉片磷含量下降［48］。類似的，抑制OsPHT1；8的表達(dá)會導(dǎo)致穗軸磷含量的上升和未灌漿穎殼磷含量的降低，影響磷從穗軸向籽粒的轉(zhuǎn)運和籽粒灌漿過程。同時，OsPHT1；8還參與磷在老葉到幼葉以及種子胚和胚乳之間的再分配［40］。在水稻衰老葉片中，核糖核酸酶編碼基因OsRNS3、OsRNS4、OsRNS5、OsRNS7和OsRNS8表達(dá)增強，促進(jìn)了RNA 重塑和磷循環(huán)［49］。在核糖核酸酶、磷脂酶的協(xié)同作用下，加速了胞內(nèi)核酸和磷脂等有機磷化合物中磷的活化以及胞外磷脂向細(xì)胞質(zhì)的回流，上述過程在PHO1s的協(xié)助下通過共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑裝載到衰老葉片的韌皮部，再通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白卸載到庫或源組織中繼續(xù)發(fā)揮作用［43］。此外，通過對比OsPHO1；1、OsPHO1；2突變體和野生型材料籽粒中含磷量變化，觀察到OsPHO1；1和OsPHO1；2在節(jié)間組織向籽粒中磷運輸以及種皮向胚磷轉(zhuǎn)移中具有重要調(diào)控作用［46］。

在亞細(xì)胞層面，定位在細(xì)胞質(zhì)膜上的PHT1s 將磷轉(zhuǎn)運至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，水稻液泡膜上含SPX 結(jié)構(gòu)域的OsSPX-MFSs 進(jìn)一步將胞質(zhì)磷轉(zhuǎn)運至液泡中儲存，當(dāng)植物遭遇低磷脅迫時，同樣定位于液泡膜OsVPE1 和OsVPE2轉(zhuǎn)運蛋白負(fù)責(zé)把液泡中磷向胞質(zhì)輸出以維持細(xì)胞內(nèi)外磷濃度平衡［49］。同時，PHT1s在伴侶蛋白PHF1（PHOSPHATE TRANSPORTER TRAFFIC FACILITATOR1）協(xié)同作用下，可以根據(jù)植株各組織的需磷量實時調(diào)整磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白在細(xì)胞中的位置，合理分配磷素。例如，磷充足情況下，OsPHT1；8 無法與PHF1 相結(jié)合，導(dǎo)致OsPHT1；8 停留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，極大減緩了水稻對無機磷的吸收；當(dāng)植株處于低磷環(huán)境時，磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白在PHF1 協(xié)同下從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運往質(zhì)膜速率加快，保障了植株充足的磷供應(yīng)。此外，定位在葉綠體的內(nèi)膜上的PHT2 家族和定位在線粒體內(nèi)膜上PHT3 家族對細(xì)胞中磷的運輸具有重要意義，其中低磷環(huán)境下OsPHT2；1表達(dá)增強，促進(jìn)了葉片中磷的積累［50］。水稻PHT3 家族中的6 個同源基因OsPHT3；1～OsPHT3；6主要負(fù)責(zé)線粒體基質(zhì)和胞漿之間的磷酸鹽交換，作用機制尚不清晰［51］。PHT4 家族中部分成員定位在高爾基體膜上，目前有關(guān)水稻中OsPHT4s 的報道較少，但發(fā)現(xiàn)鑒定的PHT4 家族成員可能與種子中磷轉(zhuǎn)運和抗病性有關(guān)［52］。

多磷酸肌醇（inositol polyphosphate，InsPs）是一種廣泛存在于動植物體內(nèi)的重要信號分子，參與多種細(xì)胞過程，如能量傳遞、激素信號傳導(dǎo)以及對生物和非生物脅迫的響應(yīng)，且InsPs 含量與細(xì)胞內(nèi)Pi 濃度呈正相關(guān)［53］。在磷信號傳導(dǎo)途徑中，磷饑餓誘導(dǎo)蛋白SPX1無法直接感知無機磷信號，而是直接與InsPs 結(jié)合，通過調(diào)控SPX1 與PHR1（phospate starvation response 1）的相互作用來維持細(xì)胞內(nèi)Pi 的穩(wěn)定。磷充足情況下，充足的InsPs含量可以促進(jìn)SPX1與PHR1的相互作用，阻斷了PHR1 與目標(biāo)啟動子序列P1BS（PHR1 binding sequence）的結(jié)合，抑制PHR1 的轉(zhuǎn)錄活性。在低磷條件下，由于InsPs含量較低，SPX1無法與PHR1結(jié)合，從而使PHR1 在轉(zhuǎn)錄水平上激活磷獲取效率（Pi acquisition efficiency）和磷利用效率（Pi use efficiency）相關(guān)基因表達(dá)［54-55］。水稻籽粒作為糧食穩(wěn)產(chǎn)增收的關(guān)鍵，植株吸收的磷經(jīng)過磷轉(zhuǎn)運蛋白的分配與運輸，最終會將60%～85%分配給作物籽粒中，并以植酸（六磷酸肌醇，InsP6）的形式進(jìn)行儲藏［43］。低磷脅迫下植株吸磷量降低，籽粒灌漿速率減弱，植酸含量顯著下降。還有研究表明，InsP8是植物細(xì)胞內(nèi)磷濃度的重要信號分子。磷充足會促進(jìn)VIH1（diphosphoinositol pentakisphosphate kinase）和VIH2 催化InsP8 的合成，進(jìn)而抑制了PSI（Pi starvation-induced）基因的激活和Pi 的過度積累。在低磷條件下，InsP8 含量的降低削弱了SPX1 和PHR1之間的相互作用，進(jìn)而激活了PSI基因的表達(dá)，促進(jìn)植株磷的吸收與積累［54-55］。水稻植株磷素吸收利用與再活化機制如圖1所示。

圖1 水稻植株磷素吸收利用與再活化機制綜合模式圖Fig.1 A comprehensive model diagram of the mechanism of phosphorus uptake and utilization and reactivation in rice plant.

4 水肥管理對水稻根系磷吸收與轉(zhuǎn)運的調(diào)節(jié)

4.1 水分管理

不同水分管理方式通過改變土壤的濕潤區(qū)域、土壤氧化還原電位和土壤含氧量等進(jìn)而調(diào)控根系水肥吸收能力，提高作物水肥耦合效率［56］。目前研究較多的是干濕交替灌溉對水稻磷吸收利用的調(diào)控作用。水稻干濕交替灌溉是指在水稻生育期進(jìn)行淹水-落干-復(fù)水-落干，如此反復(fù)的一種節(jié)水灌溉措施［57］。與傳統(tǒng)保持水層灌溉相比，干濕交替灌溉有利于水稻根系生長、籽粒灌漿和同化物向籽粒的運轉(zhuǎn)，對農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增收具有重要意義。“開源”與“節(jié)流”兩種途徑相互配合提高了水稻磷吸收效率。在“開源”方面，干濕交替灌溉通過增強水稻根系溶解氧含量和酸性磷酸酶活性來實現(xiàn)土壤難溶有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促進(jìn)水稻根系磷吸收和各器官磷的累積。具體表現(xiàn)為：干濕交替灌溉下水稻磷素運轉(zhuǎn)和代謝效率高，莖中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向籽粒的轉(zhuǎn)運增加，營養(yǎng)器官中磷素向庫運輸效率高。同時，干濕交替灌溉也增強了籽粒中的蔗糖合酶活性，催化蔗糖向淀粉轉(zhuǎn)化，緩解了低磷脅迫對籽粒灌漿的影響［58-59］。在“節(jié)流”上，干濕交替灌溉措施可以提高植株的磷利用效率，降低稻田磷素徑流、滲漏和淋溶的損失。目前有學(xué)者提出干濕交替灌溉在實行嚴(yán)格水分控制的同時，可能會導(dǎo)致根系缺水進(jìn)而減弱了水稻對磷素的吸收，阻礙植株生長［56］。但李漢常等［58］指出，干濕交替灌溉可以顯著提高水稻對磷的利用效率，進(jìn)而抵消水分控制導(dǎo)致磷吸收效率下降帶來的不利影響，在實際生產(chǎn)中可以提高產(chǎn)量和磷利用率。

4.2 肥料運籌

磷的高效吸收不僅取決于作物本身遺傳因素，不同養(yǎng)分間的協(xié)同和拮抗關(guān)系也是影響磷吸收和利用的主要原因。農(nóng)田有效磷含量的提升在依靠磷肥施用的同時也可以通過混合施用其他肥料來促進(jìn)水稻磷的吸收。首先，田間肥料施用量與損失量呈顯著正相關(guān)，減少化肥施用量與完善施肥結(jié)構(gòu)能夠顯著提高肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率。因此，在保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的同時，要適量減施化肥，提高肥料利用率［60］。有學(xué)者曾指出，當(dāng)施氮量分別為225 kg·km-2，施磷量與施鉀量均為30 kg·km-2時，肥料利用率與農(nóng)學(xué)效率最高，產(chǎn)量與施磷鉀量為60 kg·km-2時的產(chǎn)量無顯著差異。這表明適當(dāng)減施化肥對產(chǎn)量無顯著影響，但可顯著提高、氮、磷、鉀的肥料利用率。再者，適宜氮磷鉀肥配比（氮磷鉀肥用量比為1∶0.4∶1）可提高農(nóng)作物的光合性能并改善源庫關(guān)系和稻米品質(zhì)，能夠有效促進(jìn)光合產(chǎn)物及莖葉中儲存的碳水化合物向籽粒轉(zhuǎn)運，提高作物產(chǎn)量［61］。有研究表明，適當(dāng)減施化肥和配施有機肥能夠有效發(fā)掘作物本身潛能，減少田間氮磷鉀的滲漏淋失，但不宜過度減施化肥，否則不利于水稻籽粒灌漿以及產(chǎn)量的形成。其次，通過合理的氮肥鉀肥運籌結(jié)合干濕交替灌溉有利于水稻對氮磷鉀的協(xié)同吸收并促進(jìn)生長中心磷素積累［62］。王靜等［63］研究表明，相較于傳統(tǒng)施肥方式，減施氮肥和尿素配施硝化抑制劑等措施可以提高磷肥回收率和磷素利用效率，增加水稻生育期的磷吸收量和器官磷積累量。同時，合理的氮肥運籌（例如氮肥后移）也提高了水稻植株磷素積累總量和穗部磷的增加量，有利于籽粒灌漿。需要指出的是，鉀在整個植物木質(zhì)部的水分和養(yǎng)分運輸中發(fā)揮主要作用。土壤中缺鉀會導(dǎo)致植株葉片總面積減少，降低光合磷酸化活力和電子傳遞活力，降低光合關(guān)鍵酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性和含量，進(jìn)而影響植株光合效率和低磷環(huán)境下根系對磷的吸收與積累。所以田間適當(dāng)增施鉀肥能有效緩解低鉀脅迫導(dǎo)致水稻磷吸收量的減少［64］。但有學(xué)者觀察到，缺鉀會導(dǎo)致作物體內(nèi)磷含量的上升，其可能原因是體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝紊亂導(dǎo)致磷的積累［65］。綜上，合理施用氮磷鉀肥能充分發(fā)揮不同肥料之間協(xié)同作用，加速土壤中難溶性磷分解，能夠有效緩解由低磷脅迫而導(dǎo)致的作物減產(chǎn)。

5 存在問題與展望

雖然國內(nèi)外關(guān)于水稻對低磷脅迫的適應(yīng)性機制及提高磷利用率的調(diào)控途徑等作了較多研究，但有些問題仍有待探究，例如，根系與土壤相互作用以及植物激素特別是新型植物激素調(diào)控水稻磷的吸收、轉(zhuǎn)運和分配的機理；通過栽培栽培措施協(xié)同提高水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和磷利用率的機制。深入研究這些問題，對于近一步揭示水稻對低磷脅迫的適應(yīng)性機制，培育和選用耐低磷（磷高效）品種，構(gòu)建協(xié)同提高水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和磷利用效率的栽培調(diào)控途徑，具有重要意義。為此，今后可以從以下三個方面進(jìn)行重點研究：

（1）研究水稻根系與土壤互作對土壤有機磷釋放的影響。以根系-微生物-土壤為研究主線，從根系形態(tài)生理性狀、功能微生物（如叢枝菌根真菌、解磷細(xì)菌）和土壤理化因子等方面探究根-土作用與土壤中有效磷含量的內(nèi)在聯(lián)系及其對無機磷向有效磷轉(zhuǎn)化的作用機制。

（2）研究植物激素特別是新型激素對水稻磷吸收、轉(zhuǎn)運及分配的調(diào)控作用及其機制。重點研究獨腳金內(nèi)酯（strigolactones，SLs），油菜素甾醇（brassinosteroids，BRs），茉莉酸（jasmonic acid，JAs）等新型激素在水稻響應(yīng)低磷脅迫過程中的作用機制及其對水稻中磷的時（不同生育期）空（根、莖、葉、穗）分布的調(diào)控作用。應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)深入闡明植物激素對水稻磷吸收利用的調(diào)控機制。

（3）開發(fā)磷高效水稻品種和提高磷利用效率的栽培調(diào)控途徑。深入研究磷利用效率不同水稻品種對低磷脅迫的響應(yīng)機制，培育或篩選高產(chǎn)與磷高效利用的水稻品種；研究灌溉方式、肥料運籌對水稻磷素吸收、轉(zhuǎn)運和分配的調(diào)控作用及其原理，構(gòu)建在低磷脅迫條件下協(xié)同提高水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和磷吸收利用效率的栽培調(diào)控途徑和技術(shù)。